Если две или несколько контактирующих фаз системы находятся во взаимном равновесии, то составы фаз такой гетерогенной системы также находятся во взаимной зависимости одна от другой. В металлургии имеют дело с практически не смешивающимися жидкостями – металлом и шлаком. Если вещество растворяется в двух несмешивающихся жидкостях, то, согласно закону распределения, соотношение концентраций (активностей) растворенного в этих жидкостях вещества при данной температуре есть величина постоянная.
Растворенное вещество должно иметь одну и ту же молярную форму в обоих растворителях. При постоянной температуре соотношение активностей компонента в разных фазах неизменно. Допустим, что FеО распределено между металлом и шлаком — фазами, находящимися в равновесии. Тогда при постоянной температуре
a (FеО)/a[FеО⌉ = соnst = LFеО,
LFеО – коэффициент распределения FеО.
Для случая распределения в металле и шлаке FеS получим: a (FеS)/a[FеS⌉ = LFеS.
Если активность сульфида в шлаковой фазе равна молярной доле, а в металле – его процентному содержанию,то N(FеS)/[FеS, %⌉ = LFеS.
При этом степень точности уравнения зависит от пропорциональности между единицами активности и концентрации.
Закон распределения помогает объяснить процессы взаимодействия компонентов в контактирующих фазах.
Скорости перехода веществ определяются диффузионными процессами и зависят от температуры, а также от интенсивности перемешивания фаз. Скорости взаимодействия веществ зависят от их концентрации. Если скорость взаимодействия веществ весьма велика по сравнению со скоростью диффузии веществ, то реакция заканчивается в тонком слое на поверхности раздела, так как количество молекул А и В, поступающих к поверхности раздела, невелико, а скорость их взаимодействия достаточно большая.
Скорость образования вещества зависит от интенсивности подвода реагирующих веществ к поверхности раздела фаз и от скорости отвода продуктов реакции. Для оценки перехода вещества из одной фазы в другую путем испарения, растворения, кристаллизации, химического взаимодействия используют понятие химического потенциала, являющегося, по существу, движущей силой при переходе массы из одной фазы в другую, из одного состояния в другое. Условием фазового равновесия (равновесия в многофазной системе), помимо равенства температуры и давления всех фаз, является равенство химических потенциалов каждого компонента во всех фазах (правило фаз Гиббса).
Химический потенциал иногда сравнивают с температурой, которая является движущей силой при передаче тепла от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Аналогично этому перенос массы вещества протекает самопроизвольно от вещества с большим химическим потенциалом к веществу с меньшим потенциалом до тех пор, пока значения химических потенциалов не сравняются. Если, например, химический потенциал газа в свободном состоянии больше, чем его потенциал в растворе, то процесс растворения будет продолжаться до выравнивания концентраций данного газа в газовой фазе и в растворе, т.е. до достижения системой состояния равновесия.
Если химический потенциал газа в растворе больше, чем в свободном состоянии, то газ будет до момента установления равновесия выделяться из раствора. Если форма существования частиц примеси в фазах (в металле и шлаке) не одинакова и зависит от концентрации примеси, то коэффициент распределения изменяется с изменением концентрации примеси. В системе металл—шлак подобным свойством обладает фосфор. Коэффициент распределения фосфора LР = (Р205)/[Р] колеблется в пределах 50-300 при первоначальном содержании фосфора в металле ≤0,15% и возрастает до 400—1000 при 0,3-0,45% Р.
